Quelle: http://www.mpp.mpg.de//mpg/websitePhysik/forschung/experimental/belle/index.html

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Belle – B-Physik mit e+ - e- - Kollisionen

Das Ungleichgewicht zwischen Materie und Antimaterie im Universum ist das Ergebnis der Verletzung einer fundamentalen Symmetrie der Natur, der sogenannten CP-Symmetrie. Die Verletzung dieser Symmetrie wurde im Jahre 1964 beim Zerfall der neutralen K-Mesonen (Mesonen mit einem „seltsamen“ Quark) entdeckt (Nobelpreis 1980 für Cronin und Fitch), und wird in einer Theorie von Kobayashi und Maskawa durch die „Mischung“ der verschiedenen Quarks erklärt. Ihre Theorie sagt eine starke CP-Verletzung bei den B-Mesonen voraus, die experimentell vor einigen Jahren bestätigt wurde. Hierfür wurden sie 2008 mit dem Nobelpreis ausgezeichnet.


Belle Detektor (© KEK)
B-Mesonen enthalten ein schweres Anti-b-Quark und ein leichtes Quark (u oder d). Leichte Quarks kommen auch in den Protonen und Neutronen unserer „normalen“ Materie vor. Eines der beiden Experimente, bei denen die CP-Verletzung beobachtet wurde, ist das Belle-Experiment an der „B-Fabrik“ KEKB in Japan. Die B-Fabrik ist ein Elektron-Positron-Collider mit einer Schwerpunkt-energie von etwa 10 GeV, in dem B-Mesonen paarweise (ein B-Meson und sein Antiteilchen) exklusiv erzeugt werden. Die B-Mesonen zerfallen nach einer kurzen Flugstrecke und die Zerfallsprodukte werden in einem Detektor („Belle“ am KEKB) beobachtet.


Teilchenbahnen (© MPI für Physik)
Durch die genaue Messung bestimmter „CP-Eigenzustände“ können die unterschiedlichen Zerfalls-wahrscheinlichkeiten von B-Mesonen und ihrer Antiteilchen, also die CP-Verletzung, untersucht werden. Die Ergebnisse von Belle bestätigten zwar die Cabibbo-Kobayashi-Maskawa-Theorie in eindrucksvoller Weise, die Stärke der beobachteten CP-Verletzung reicht jedoch bei weitem nicht aus, um die Dominanz der Materie über die Antimaterie im Universum zu erklären. Es muss also noch weitere Mechanismen jenseits des Standardmodells („Neue Physik“) geben, die Materie gegenüber Antimaterie bevorzugen. Zur Beobachtung der Neuen Physik muss aber die Präzision des Experiments, im Wesentlichen also die Anzahl der beobachteten Ereignisse, deutlich erhöht werden.


Luftaufnahme KEK (© KEK)
Seit 2008 ist das Institut an der Planung von Experimenten für eine sehr viel leistungsfähigere B-Fabrik („SuperKEKB“) in Japan beteiligt, für die eine 40-fach höhere Luminosität geplant ist. Parallel hierzu wird auch das Belle-Experiment deutlich verbessert („Belle-II“). Beides soll 2015 in Betrieb gehen.


PXD Prototyp (© MPI für Physik)
Für Belle-II ist unter anderem ein neuer, hochauflösender Vertexdetektor, der die genaue Zerfallsposition der B-Mesonen vermisst, vorgesehen. Dieser Detektor wird in einer internationalen Kollaboration unter Führung des Instituts entwickelt. Hierbei kommt ein aktiver Silizium-Pixelsensor („DEPFET“) zum Einsatz, der am Halbleiterlabor der Max-Planck-Gesellschaft (HLL) erfunden wurde. Mit dieser Technologie lassen sich dünne Sensoren herstellen (50 μm), die sich für hochpräzise Messungen von Teilchen mit niedrigen Impulsen, wie sie bei B-Fabriken auftreten, besonders gut eignen. Die für Belle-II benötigten Silizium-Sensoren werden am HLL hergestellt; die Produktion von Prototypen ist bereits im Gange.


Belle Detektor (© MPI für Physik)
Der ganze DEPFET-Detektor, der aus 2 Silizium-Lagen besteht, ist nicht größer als eine Getränkedose, verfügt aber über ca. 8 Millionen einzelne Pixel, die den genauen Ort des Durchgangs und die Richtung der Zerfallsteilchen festhalten.


Die deutlich verbesserte Statistik von Belle-II wird es ermöglichen, Neue Physik jenseits des Standardmodells aufzuspüren. Die Präzisionsphysik mit Belle-II ist somit komplementär zu den Experimenten am LHC.

© 2015, MPI für Physik, München Impressum